【word】光纤通信技术讲座——（七）：光探测和光接收机

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1、光纤通信技术讲座——（七）：光探测和光接收机技术讲座/TECHNOLOGYFORUM 中国无线电电子学,电信技术类核心期刊 光纤通信技术讲座——【七):光探测和光接收机 原荣 (中国电子科技集团公司第三十四研究所桂林541004) 摘要介绍光探测器基本原理,器件和数字光接收机构成,信噪比和性能. 关键词光探测器光电二极管信噪比比特误码率接收机灵敏度 中图分类号TN253文献标识码A 1前言 发射机发射的光信号经光纤传输后,由第二讲我 们知道,不仅幅度衰减了,而且脉冲波形也展宽了,光 接收机的作用就是把经过传输后的微弱光信号转变 为电信号,并放大,整形,再生成原输入信号.它的主

2、 要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光 电检测器.对光电检测器的要求是灵敏度高,响应快, 噪声小,成本低和可靠性高.并且它的光敏面应与光 纤芯径匹配.用半导体材料制成的光电检测器正好满 足这些要求.本讲主要介绍光电检测器原理,性能和 分类.给出直接检测接收机的构成,并分析其信噪比, 灵敏度和比特误码率. 2光探测原理 光电检测过程的基本机理是受激光吸收.假如入 射光子的能量超过禁带能量E,只有几微米宽的耗尽 区每次吸收一个光子,将产生一个电子空穴对,发生 受激吸收,如图1所示.在PN结施加反向电压的情况 下,受激吸收过程生成的电子一空穴通过对电场的作 用,分别离开耗尽

3、区,电子向N区漂移,空穴向P区漂 移,空穴和从负电极进入的电子复合,电子则离开N 区进入正电极.从而在外电路形成光生电流.当入射 功率变化时,光生电流也随之线性变化,从而把光信 号转变成电流信号.光生电流与产生的电子空穴对和 这些载流子运动的速度有关.也就是说直接与入射光 功率只成正比,即 jp=R(1) 式中R是光电检测器响应度(用A/W表示).由此式可 以得到 r R=—}f2) 收稿日期:2003—02—28 作者简介:原荣男,1942年生,研究员级高级工程师. 主要着作:<光纤通信网络),《光纤通信》,《宽带光接入网》(待出版) 响应度R可用量子效率表示,其定义

4、是产生的 电子数与入射光子数之比,即 叼 等R(3) 式中q=1.6x10焦耳,是电子电荷:h=6.63x10焦 耳一秒,是普朗克常数;l,是入射光频率.由此式可以 得到响应度 R: 14由l,. 式中A=c/v是入射光波长,用m表示,c=3xl0m/s是 真空中光速.上式表示光电检测器响应度随波长而增 加,这是因为光子能量j1减/bn,l可以产生与减少的 能量相等的电流.R和A的这种线性关系不能一直保 持下去,因为光子能量太小时将不能产生电子.当光 子能量变得比禁带能量E小时,无论入射光多强,光 电效应也不会发生,此时量子效率下降到零,也就是 说,光电效应必须满足条件 by

5、>E或者X<hc/E.f5)5 3光电二极管 光纤通信中最常用的光电检测器是PIN光电二 极管和雪崩光电二极管(APD).现分别介绍如下. 反向偏置的PN结,”-3光入射时,光生电子空穴对分别 向H区和P区漂移,在外电路产生光生电流 图1PN结光电检测原理说明 阻 流 2003年第7期光通信技t-囫 技术讲座/TECHNOLOGYFORUM 3.1PlN光电二极管 3.1.1工作原理 简单的PN结光电二极管具有两个主要的缺点. 首先.它的结电容或耗尽区电容较大,RC时间常数较 大,不利于高频调制.其次,它的耗尽层宽度最大也只 有几微米,此时长波长的穿透深度比耗尽

6、层宽度W还 大.所以大多数光子没有被耗尽层吸收,而是进入不 能将电子空穴对分开的电场为零的N区,因此长波长 的量子效率很低.为了克服以上问题,人们采用PIN 光电二极管. PIN二极管与PN二极管的主要区别是,在P和 N一之间加入一个在Si中掺杂较少的I层,作为耗尽 层,如图2所示.I层的宽度较宽,约有5～501xm,可吸 收绝大多数光子.PIN光电二极管耗尽层的电容是 r—Sos~A一—一 式中A是耗尽层的截面,是si的介电常数.因为 宽度是由结构所固定的,不像PN二极管那样,由 施加的电压所决定.PIN光电二极管结电容cd通常为 pF数量级,对于50Q的负载电阻,RC时间

7、常数为 50ps. PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗 尽层的宽度W所决定.增加可使更多的光子被吸 收,从而增加量子效率,但是载流子穿越的时间增 加,响应速度变慢.载流子在区的漂移时间为 (7) d 式中是漂移速度.为了减小漂移时间,可增加施加的 电压. 3.1.2光电二极管的响应波长 由光电效应发生的条件式(5)可知,对任何一种 材料制作的光电二极管,都有上截止波长,定义为 : hc :(8)一丁 输出电压 K” h+空穴,p光生电流 电子=5～50ttm RL载电阻￡Vr/W PIN管分布